碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，其是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨优异新型材料，被誉为“黑色黄金”。碳纤维具有优异的理化性能，被称为新材料之王，碳纤维材料强度高、耐高温，同时具有较好的减重效果，一般不是单独使用，而是以复合材料的形式被使用。碳纤维作为复合材料中的增强纤维，用于制造各类终端产品中的复材结构。碳纤维复合材料属于技术密集型产品，生产过程对工艺和装备的要求极高，在从原丝-碳纤维-中间产品-复合材料的各个环节中，每经过一个环节产品的价值量都会成倍的增长。
根据《2021年全球碳纤维复合材料市场报告》，2021年全球航空航天碳纤维需求为1.65万吨，占比14%，而其价值为11.88亿美元，占比34.9%，高居榜首。碳纤维对于航空航天的重要性不仅体现在经济上，也体现在国家安全上。对于我国碳纤维市场而言，中低端碳纤维过剩，高端碳纤维对外依赖度高的局面短期内恐得不到有效改善，对于碳纤维的研制，特别是高端碳纤维的研制对于我国是当务之急。
专利检索情况
本文通过专利文献分析方法重点对碳纤维及其在航空航天领域应用情况进行研究分析。专利分析数据来源于全球专利，主要有中国国家知识产权局（CN）、美国专利商标局（US）、欧洲专利局（EP）、世界知识产权组织（WO）、日本专利局（JP）、韩国专利局（KR）等官方专利数据。检索关键词有：碳纤维（英文为carbonfiber）、飞机（aircraft、airplane、aeroplane、airvehicle、aerialvehicle）、aeroengine、aeropropulsion、landinggear、火箭、rocket、spaceflight等。
碳纤维在航空航天领域应用专利分析
与飞机等航空航天相关的碳纤维相关专利共35147件，去同族之后为26323项（检索范围为：碳纤维（名称、属性、权利要求）and 航空航天（全文））。
图1 碳纤维相关专利历年申请趋势图
（2001年前专利数量较少，图中不显示，下同。由于专利申请到公开有18月左右的间隔，所以图中2020年以来的专利量应该比图中显示的要多，但是即便如此，自2016年以来的趋势已经形成，不可避免的呈现下降趋势）
图1为2001年以来碳纤维相关专利的趋势图，从图中可以看出自2001年-2010年的10年间，有关碳纤维的专利呈缓慢增长态势，从605件增至1394件，年均增长8.7%，自2011年以来，碳纤维的专利呈现加速增长态势，2016年达到顶峰，从1720件增至3294件，年均增长13.8%，自2016年以来，有关碳纤维的专利呈下降态势[1]，而且下降速度较快，可能与市场饱和有关，也有可能与2020年以来的新冠疫情有关，或者兼而有。
图2为碳纤维相关专利地域范围分布情况，可以反应出碳纤维市场的分布，一般情况是，市场需求越大、竞争越激烈，布局的专利越多。从图中可以看出，申请量最多的为中国，反应出在中国市场竞争的激烈，其次是美国和日本，欧洲专利局和世界知识产权组织这两大国际组织是研制主体竞相采取的跨国保护的桥梁。
图2 碳纤维相关专利地域范围分布图
图3展示了碳纤维领域研制主体情况，从图中可以看出，日本东丽、波音、日本三菱丽阳、空客、古德里奇占碳纤维专利的前五，其中东丽公司最多，为2130件，几乎是排名第二波音公司的两倍。除此之外，我国有关高校，如北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、南京航空航天大学等高校榜上有名，除此之外，还有通用电气公司、现代汽车、杜邦、霍尼韦尔、帝人等公司。
图3 碳纤维相关专利研制主体分布图
图4为碳纤维技术主要技术领域（按照IPC国际专利分类）分布情况，以及自2001至2021年20年间主要技术领域的发展变化情况，表1为国际专利分类对应的技术含义。分析各阶段的IPC技术分布情况，有助于了解特定时期出现的重要技术方向。对比各技术方向的发展趋势，有助于识别哪些技术出现更早、更集中。
从图中可以看出，在与航空航天有关的碳纤维专利中，主要涉及原材料、工艺、设备、应用等，其中碳纤维原材料（含工艺）及加工设备（D01F）为1571项，占比5.97%，碳纤维应用工艺（B29C、C08J）为6919项，占比26.28%，碳纤维应用（复合材料相关应用B32B、C04B、C08G、C08K、C08L共11183项，航空航天具体应用B64C、B64D合计为5401项）为17234项，占比65.49%，可见在碳纤维技术领域应用型专利最多，应用工艺次之，最复杂的原料及原料加工设备等相关专利最少，同时也说明在碳纤维技术方面，上游专利较少，中下游专利成倍增加。
表1 碳纤维相关专利IPC国际专利分类对应表
碳纤维基础原材料和工艺专利分析
本小节主要针对碳纤维基础原材料和工艺专利进行检索分析，主要目的是分析碳纤维基础技术的国内外发展情况。因碳纤维基础技术具有共用性，检索范围设定为碳纤维（名称、属性、权利要求），不限定航空航天（全文）。经检索，共检出16436件专利，去同族之后为11332项。（需要说明的是：本节和上节检索范围不同，结果中存在部分相同专利子集，也有部分未明确在航空航天领域应用前景的基础专利。）
图5为2001年以来碳纤维基础相关专利的申请趋势图，从图中可以看出自2001年-2010年的10年间，相关专利数量未出现明显增长，年均专利数量不足350件，自2011年开始，专利数量开始突破400件，并持续保持该数量，直至2020年才开始明显下降。
图5 碳纤维基础相关专利历年申请趋势图
图6为碳纤维基础相关专利公开地域分布情况。从图中可以看出，日本地域公开的专利数量最多达到6361件，中国地域公开的专利量也达到3412件，其次是美国和韩国，以及世界知识产权组织。可见日本和中国是目前全球最大的先进碳纤维材料市场国。
图6 碳纤维基础相关专利公开地域分布图
图7为碳纤维基础相关专利公开地域按时间分布趋势图。布局地域为日本的基础相关专利在2001年-2015年专利公开量始终保持较多，保持绝对领先地位，在2016年开始专利公开量逐年减少，呈下降趋势；布局地域为中国的相关专利，在2001年到2006年数量较少（最高为105件），但从2007年开始逐渐增长，到2012年跃过300件达到351件，并保持这一规模到2019年，显示出强劲的后期增长态势；此外，美国、韩国、世界知识产权组织（WIPO）和欧洲专利局（EPO）组织，均在2012年后开始出现明显的专利增长态势，在2017年之后均呈现下降趋势。
图7 碳纤维基础相关专利地域公开趋势图
图8展示了碳纤维基础相关专利申请人排名情况，从图中可以看出，日本东丽、日本三菱丽阳、日本帝人、中国东华大学、北京化工大学占据前五位，其中东丽公司最多，为4428件，远超过其他申请人。
图8 碳纤维基础相关专利申请人排名
图9展示了碳纤维基础相关专利技术按IPC小类的公开趋势情况。其中“制作碳纤维；专用于生产碳纤维的设备（D01F）”自2001年以来专利申请量较为均衡，数量也最多，说明在设备方面一直是碳纤维发展的重点；对于“碳纤维的加工；配料的一般工艺过程及后处理（C08J）等”在2012年后专利数量显著增加，并保持了较高的热度，说明在2012年以后碳纤维材料应用得到快速发展，以碳纤维为原料的后处理工艺的创新显著增多，除此之外，在“高分子化合物的组合物（C08L）”、“使用无机物或非高分子有机物作为配料（C08K）”以及“塑料的成型连接；塑性状态材或料的成型（B29C）”等技术领域也是自2012年开始有较大增长，说明在2012年在相关技术方面可能发生突破。
图9 碳纤维基础相关专利技术按IPC分类公开趋势图
图10为碳纤维基础相关专利技术生命周期图，其反映了一定时间内，从事碳纤维研发主体（高校、企业等）数量以及专利产出数量的关系图，一般而言，研发主体和专利产出均逐渐增多，说明该技术呈现“膨胀”即扩张期、上升期，反之则处于下降期、衰退期，从图10中可以看出，近几年，碳纤维研发整体上呈现双降趋势，进入萎缩期或衰退期。
图10 碳纤维基础相关专利技术生命周期图
碳纤维基础原材料和工艺专利在国内布局分析
国内碳纤维相关基础专利共3480件，去同族之后为3417项，图11为2001年以来国内碳纤维相关专利的趋势图。
从图中可以看出自2001年-2008年的8年间，有关碳纤维的专利呈较快增长态势，从22件，增至154件，年均增长10.7%，自2009年-2015年的6年间，碳纤维的专利呈现放缓态势，2016年以来，有关碳纤维的专利呈较快的下降态势，可能与国内市场饱和有关，也有可能与2020年以来的新冠疫情有关，或者兼而有。
图12反应了国内碳纤维领域研制主体情况，从图中可以看出，国内东华大学在该领域相关专利申请量最多，为1136件。其次，北京化工大学、日本东丽、江苏恒神股份有限公司、东丽纤维研究所（中国）有限公司占国内碳纤维专利申请量的前五，其中，排名第1的东华大学专利申请量是排名第二的北京化工大学的两倍多。除此之外，我国有关研制主体还有威海拓展纤维有限公司、中复神鹰碳纤维、塞特工业公司、日本帝人公司、三菱丽阳公司等公司。
图12 国内碳纤维相关专利研制主体分布图
图13为国内碳纤维主要研制主体专利申请量时间分布趋势。东华大学在2008年-2020年专利公开量始终保持较多，在国内保持绝对领先地位，在2016年开始专利公开量逐年减少，呈下降趋势；北京化工大学在国内布局专利较早，但是每年申请量相对较少，2008年-2018年期间每年申请量缓慢增长，2019年开始每年申请量开始逐年减少。同时，日本帝人和三菱丽阳在国内布局相关专利时间较早，相比国内江苏恒神、威海拓展、中复神鹰等研制主体在国内布局专利时间较晚，每年相关专利申请量较少，增长态势亦不明显。
图13 国内碳纤维主要专利研制主体分布图
图14展示了国内碳纤维专利技术按IPC（国际专利分类）小类的公开趋势情况。其中“制作碳纤维；专用于生产碳纤维的设备（D01F）”自2001年以来较早的发展起来了，一开始专利申请量较为均衡，数量也最多。2005年-2012年，该领域专利快速积累。2016年-2019年，同样也是该领域的国内发展的高峰期；对于“碳纤维的加工；配料的一般工艺过程及后处理（C08J）等”在2012年-2016年，国内专利数量显著增加，并保持了较高的热度，说明在该阶段国内碳纤维材料应用得到快速发展，以碳纤维为原料的后处理工艺的创新显著增多，除此之外，在“高分子化合物的组合物（C08L）”在2007年-2011年在国内得到了初步的发展，在2012年-2016年在国内得到了快速积累；同时，“制作化学长丝、线、纤维、鬃或带子的机械方法或设备（D01D）”、“用碳-碳不饱和键以外的反应得到的高分子化合物（C08G）”以及“使用无机物或非高分子有机物作为配料（C08K）”等技术领域也是在国内有较多专利积累的技术领域。
图14 国内碳纤维专利技术按IPC分类公开趋势图
图15展示了国内碳纤维主要专利技术研制主体IPC小类分布情况。分析主要研制主体的IPC技术分布情况，有助于了解国内主要研制主体的重要技术方向。对比各研制主体的技术方向，有助于了解特定细分技术领域研制主体，为我方了解主要研制主体的技术发展重点和技术优势。从图16可以看出，东华大学的技术发展重点和技术优势体现在 “制作碳纤维；专用于生产碳纤维的设备（D01F）”、“制作化学长丝、线、纤维、鬃或带子的机械方法或设备（D01D）”两方面；北京化工大学研发重点体现在“制作碳纤维；专用于生产碳纤维的设备（D01F）”、“使用无机物或非高分子有机物作为配料的组合物（C08K）”等方面；江苏恒神公司的研发重点体现在“塑料的成型连接；塑性状态材或料的成型（B29C）”方面。
图15 国内碳纤维主要专利技术研制主体IPC分类分布图
通过对碳纤维基础专利及国内布局情况、航空航天相关专利情况的梳理，可以得出以下几点结论。不论是碳纤维基础专利情况或是航空航天相关专利，还是中国的情况，在2016年后，有关碳纤维的专利呈现下降趋势，在短期内应该会持续这种趋势。
中国航空工业发展研究中心
赵云 柳慧泉 何杰山
主编：王元元
执行主编：胡毅华
